4．6　Cu，Zn－SOD的外顯子基因與Cu，Zn－SOD分子結(jié)構(gòu)的進(jìn)化機(jī)制假說(shuō)

基于外顯子和基因的復(fù)制的理論基礎(chǔ)，提出一種Cu，Zn－SOD的進(jìn)化機(jī)制。這種進(jìn)化機(jī)制是在對(duì)牛的Cu，Zn－SOD的晶體結(jié)構(gòu)分析中得出來(lái)的，每個(gè)亞基都含有兩個(gè)內(nèi)部折疊的對(duì)稱軸，關(guān)于它的α－碳位點(diǎn)對(duì)稱，銅離子位于對(duì)稱軸的中心。鋅的結(jié)合位點(diǎn)亞區(qū)域在穩(wěn)定和催化中起作用。包括N－末端發(fā)夾結(jié)構(gòu)的兩個(gè)子域不是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一部分，它可能編碼蛋白質(zhì)折疊的一個(gè)核化位點(diǎn)。這些亞區(qū)域在人的Cu，Zn－SOD基因中是由外顯子編碼的，這支持了一個(gè)假說(shuō)，即它們是在基因復(fù)制后加上去的。這個(gè)假說(shuō)的一個(gè)困難是外顯子編碼的鋅離子的結(jié)合區(qū)域也編碼對(duì)稱結(jié)構(gòu)域，這與鋅離子結(jié)合區(qū)域是在基因復(fù)制融合后加上去相矛盾。粗糙鏈孢霉對(duì)應(yīng)64位氨基酸的內(nèi)含子的發(fā)現(xiàn)解決了這一難題，因?yàn)樗纬闪艘粋€(gè)新的外顯子exonⅤ，幾乎和鋅離子的結(jié)合位點(diǎn)完全匹配而且它不屬于結(jié)構(gòu)對(duì)稱區(qū)域。應(yīng)該注意的是，exonⅤ只編碼四個(gè)氨基酸中的一個(gè)，這個(gè)氨基酸是連接目前結(jié)構(gòu)的鋅離子的，這就說(shuō)明更為廣泛的氨基酸置換在提出附加的exonⅤ時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了。

圖4－7　Cu，Zn－SOD的進(jìn)化機(jī)制假說(shuō)

（摘自DO Natvig，et al．J．Biol．Chem．，1990）

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略地用箭頭式結(jié)構(gòu)表示，組成希臘鑰匙β折疊桶的β片層。N和C的末端比顯示的要近些，是因?yàn)榉肿忧懊娴摩缕瑢拥呐で?。在現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)中，鋅離子和環(huán)與銅離子距離更近些，而環(huán)包含對(duì)稱的3和3′比圖示的要大。在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱的1和1′，2和2′，4和4′對(duì)應(yīng)相應(yīng)的β片層，而3和3′僅包含環(huán)狀殘基。對(duì)稱的2倍軸垂直于紙平面并且穿過(guò)銅離子，外顯子Ⅱ和Ⅴ更像是最近的結(jié)構(gòu)附加物，都添加到N－末端的對(duì)稱區(qū)域上。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，雖然一些現(xiàn)在的內(nèi)含子可能來(lái)自原始的結(jié)構(gòu)，但原始的和過(guò)渡基因并沒(méi)有表示出內(nèi)含子。

粗糙鏈孢霉的這三個(gè)內(nèi)含子沒(méi)有一個(gè)與人和果蠅基因的相符合。粗糙鏈孢霉內(nèi)含子雖然很小，但是與那些高等有機(jī)體的相似處是它們的5′和3′界面都需要GT和AG序列。Cu，Zn－SOD基因總共含有7個(gè)內(nèi)含子，將蛋白質(zhì)分割成8個(gè)平均長(zhǎng)度為19個(gè)氨基酸的外顯子。隨著從植物和其他生物體提取基因序列變?yōu)榭赡?，外顯子的數(shù)目可能會(huì)增加。雖然外顯子在蛋白質(zhì)中是對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的功能和結(jié)構(gòu)區(qū)域或者亞區(qū)域，但是外顯子Ⅰ和Ⅶ卻因?yàn)樘《荒軇偃芜@個(gè)角色。

有一個(gè)粗糙鏈孢酶的內(nèi)含子對(duì)應(yīng)氨基酸殘基114，而人的內(nèi)含子中只有4個(gè)殘基對(duì)應(yīng)118位氨基酸?？雌饋?lái)這些不協(xié)調(diào)的內(nèi)含子編碼的外顯子使對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)域和功能域不太可能，因?yàn)樗浅Ｐ《椅挥讦骆溕?。同樣這些內(nèi)含子從相同的遺傳的內(nèi)含子經(jīng)過(guò)變化位置得到也不太可能，因?yàn)槿撕痛植阪滄呙沟倪@段序列是高度保守的。另外，這兩個(gè)內(nèi)含子都對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的包埋區(qū)域。假設(shè)包埋的內(nèi)含子通常對(duì)應(yīng)原始結(jié)構(gòu)的表面，隨著蛋白質(zhì)的進(jìn)化而包埋起來(lái)。至于Cu，Zn－SOD，如果上述的兩種內(nèi)含子在原始的β桶結(jié)構(gòu)的進(jìn)化后產(chǎn)生，那么它們的標(biāo)準(zhǔn)部件必須是小的氨基酸序列。可以選擇的是，一個(gè)或者兩個(gè)內(nèi)含子可能是在進(jìn)化的最近階段插入的。